JP2001074604A

JP2001074604A - レンズ特性の測定方法およびその光学システム

Info

Publication number: JP2001074604A
Application number: JP2000223967A
Authority: JP
Inventors: Paul Colbourne; コルブールヌポール; Jian Jim Yang; ジムヤンジャン; Geoff Randall; ランドルジョフ
Original assignee: JDS Uniphase Corp
Current assignee: Viavi Solutions Inc
Priority date: 1999-08-04
Filing date: 2000-07-25
Publication date: 2001-03-23
Also published as: CA2279714A1; EP1074816A2; US6486942B1; EP1074816A3

Abstract

(57)【要約】【課題】グレーディッドインデックスレンズ１２の特
性を正確、容易に測定する。【解決手段】入力偏光ビームを偏光ビームスプリッタ
ー２２と１／４波長板２４を通して測定対象のレンズ１
２に投射する。投射ビームは作像レンズ２６ｂによりレ
ンズ１２の面１７ｂに焦点を結像する。ビームの一部は
レンズの面１７ａ、１７ｂから反射し、それらの反射光
は偏光ビームスプリッター２２を経てカメライメージ面
２８に作像される。レンズ１２とカメライメージ面２８
はその間の光路長を変えるために相対移動を可能にす
る。レンズ１２の面１７ｂで反射したビームの第一焦点
をカメライメージ面２８に位置決めし、次にレンズ１２
とイメージ面２８の一方を調整移動してレンズ１２の面
１７ａで反射したビームの第二焦点をカメライメージ面
２８に位置決めする。第一焦点の位置決め位置から第二
焦点の位置決め位置までの調整移動量からレンズ１２の
焦点距離を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、グレーディッドイ
ンデックスレンズ等のレンズに関して、特にロッドレン
ズの焦点距離、ピッチ、勾配等のような特性の測定（決
定）方法とその光学システムに関するものである。

【０００２】

【発明の背景】光デバイスの精度は、このようなデバイ
スの製造に使用される構成部品の精度に直接関係する。
例えば、グレーディッドインデックスレンズのようなロ
ッドレンズは光デバイスの製造にしばしば使用され、デ
バイスそれ自身の内部にもしばしば使用される。これら
のレンズは比較的廉価であり、小型であり、並びにビー
ムが視準されなければならない場合に、光フィルターの
構成要素として、また、光ファイバから構成部品へ光を
結合する他の色々なデバイス中の構成要素として有用で
ある。

【０００３】一般的な構成は、光ファイバを出る光がレ
ンズによって視準され、視準ビームが構成部品を通して
伝搬し、構成部品を出る視準ビームが次いで収束され、
光ファイバに再び結合されるように、光ファイバ、レン
ズ、構成部品、レンズ、光ファイバの直列配列となる。
従って、正確なクオーターピッチのレンズ（１／４ピッ
チレンズ）、すなわち視準レンズが必要とされる場合が
あり、クオーターピッチレンズ以外の他のグレーディッ
ドインデックスレンズが必要とされる場合がある。

【０００４】例えばある設計は、０．２３ピッチまたは
０．２６ピッチレンズを必要とする。グレーディッドイ
ンデックスレンズのピッチまたは勾配（屈折率変化の勾
配）を測定する高度に正確な方法が商業的に利用できな
い、という困難さがある。ピッチに対して±０．０００
２まで、勾配を意味するルートＡ（√Ａ）に対して±
０．０００２ｍｍ^−１までの精度で、簡単に、適正コス
トで、一個以上のレンズを測定する方法が望ましいであ
ろう。現在、レンズの供給者は、ルートAに対して±
０．０００５ｍｍ^−１までの正確度を提供することを明
言している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従って本発明の目的は
±０．０００２ｍｍ^−１までの正確度でレンズルートA
（勾配（傾斜））を測定するシステム（光学システム）
および方法を提供することであり、本発明の更なる目的
は、製造するのに比較的廉価で、使用するのに容易であ
り、グレーディッドインデックスレンズの焦点距離の測
定に対して比較的高い正確度を提供する測定方法とその
システム（光学システム）を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明によれば下記のス
テップを有するグレーディッドインデックスレンズの特
性を測定（決定）する方法が提供されている。すなわ
ち、遠方光の受光／検出領域内でグレーディッドインデ
ックスレンズの二つの端面からの光を受けるステップ
と、二つの端面の一方から受けた光からの第一焦点を位
置決めするステップと、レンズの二つの端面の他方から
の第二焦点を位置決めするステップと、二つの焦点を位
置決めするためにトラバースした距離からグレーディッ
ドインデックスレンズの特性を測定（決定）するステッ
プとを有する。

【０００７】本発明の別の態様によれば下記を有するそ
の焦点距離またはその勾配に関するレンズの特性を測定
（決定）する光学システムが提供されている。すなわ
ち、レンズのテスト（測定）の間、レンズを一時的に保
持する手段と、レンズを照射する（レンズに光を投射す
る）光源と、受けた光をレンズからイメージ面に導くビ
ームスプリッターと、レンズとイメージ面間の距離を変
えるためにレンズとイメージ面を相対的に移動する手段
と、変化した距離を決定する手段と、を備えたレンズ特
性測定の光学システムを提供する。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明を添付した実施形態
例の図面に基づき説明する。なお、本実施形態例の説明
の都合上、最初に、測定対象のレンズの性質を説明した
上で本実施形態例の説明に移ることにする。図３は、様
々なピッチのグレーディッドインデックスロッドレンズ
を示す。図３（ａ）に示されたレンズのピッチは０．２
５である。この種のクオーターピッチロッドレンズ（１
／４ピッチロッドレンズ）１２は光が光ファイバ８を経
て一方の端部に投射した時、視準ビームを与える。しか
しながらこの例では、レンズの左端部に投射した光が反
対側の右端部で視準ビームを作ることが示されている。

【０００９】図３（ａ）においてビームはレンズを出る
ように示されており、この図では光がこのようなレンズ
を出て空気のような異なる屈折率の媒体に入射する時生
じる後方反射の図示は省略されている。レンズ空気界面
による後方反射は一般的に望ましくなく、これらの反射
を低減するために一般に反射防止コーティングがレンズ
の端面に付けられる。それにも関わらず、これらの後方
反射は有用な役目を果たしていることが、本発明の以下
の説明において明らかになるであろう。

【００１０】図３の（ａ）および（ｂ）は異なる位置で
同じレンズに投射した光が辿った異なる径路を図示して
いる。図３（ｃ）は、クオーターピッチよりも小さい
（ピッチが小さい）レンズを図示し、視準されるよりも
むしろ拡散して出るビームを示す。図３（ｄ）は、光フ
ァイバ８ａからレンズ１２に投射する光を図示し、ここ
で一部の光は視準され、一部の光は受光ファイバ８ｂへ
向かって後方に反射する。グレーディッドインデックス
ロッドレンズの理解によれば、例えば図３の（ａ）およ
び（ｄ）に示された配列に基づいた本発明の様々な実施
形態例が記述される。

【００１１】再度図３（ａ）を参照して、レンズの光軸
に沿ってレンズ１２に投射する光１４ａが示されてい
る。一部の光がレンズの端面から後方に反射された時、
それは光ファイバ８に戻って結合される。

【００１２】図２（ａ）において、レンズ１２の端部１
７ａに投射した光が示され、レンズはクオーターピッチ
視準レンズであるので、光は光軸上の位置１９でレンズ
の端面１７ｂに焦点を結ぶ。

【００１３】図２（ｂ）において、レンズ１２ｂの端部
１７ａに投射した光が示され、レンズはクオーターピッ
チよりも小さいので（０．２１ピッチ）、焦点はレンズ
の端面１７ｂから離れた距離「ｄ」となり、この場合位
置１９ｂにある。この距離「ｄ」を決定することによ
り、レンズの焦点距離が計算できる。

【００１４】レンズの焦点距離のような特性を計算する
この方法は有用であり、適度に正確な結果を出すけれど
も、本発明の好ましい実施形態例は焦点距離を決定する
ためにグレーディッドインデックスロッドレンズの両端
面を利用することにより、二つのレンズの焦点距離を比
較する必要性を回避する。この仕方により、最初の基準
レンズで一度、テスト中（測定中）のレンズで一度の、
二回の別々の場合で同等の条件を確保する必要性がな
い。

【００１５】図１には本発明の好ましい実施形態例が与
えられている。ここにおいて、、テスト中（測定中）の
レンズ１２が、カメライメージ面（平面）２８と共に相
対的に移動可能な、図示されていないホルダー内に固定
されている。イメージ面２８はレンズ１２に対して遠方
光の受光／検出領域（単に検出領域ともいう）として機
能するもので、このイメージ面２８は第一イメージ面と
して定義されるものである。特別偏光を持つ好ましく偏
光された光がデバイスに投射する第一端部付近に偏光ビ
ームスプリッター（ＰＢＳ）２２が配置されている。視
準／焦点レンズ２６ａ、２６ｂおよび２６ｃが要求され
る場所に視準／焦点ビームを提供する。クオーター波長
板（１／４波長板）２４がＰＢＳ２２とテスト中のレン
ズ１２の間に配置される。

【００１６】動作に当たって、対象の波長（既知の波
長）での視準偏光が例えば、偏光維持光ファイバ（偏波
保存光ファイバ）を通してシステムに投射され（偏光さ
れた光を与える光源からの光が偏光維持光ファイバを通
して光システムに投射され）、その光がＰＢＳ２２に導
かれる。ＰＢＳ２２はその光が偏光状態の故にその光
（第一偏光をもつ光）を通す。次いで、ビームの偏光が
非可逆回転体として機能するクオーター波長板２４によ
って回転させられて、円形偏光となる。そしてビームは
テスト中（測定中）のレンズ１２の端面で作像レンズ２
６ｂによって位置２９ａで焦点を結ぶ。

【００１７】この図では明示されていないが、この実施
形態例においてレンズの端面１７ｂ上の入力端部から投
射したビームの焦点２９ａは、レンズ１２の光軸から若
干オフセットしている。レンズ１２の端面１７ｂは部分
的に反射性であって部分的に透過性であるので、位置２
９ａのビームの僅かな部分は、波長板２４によってその
偏光が回転された後、ＰＢＳ２２に向かって後方に反射
される。

【００１８】ビームの偏光状態は波長板２４によって二
回回転され、垂直偏光から水平偏光への変換を受けるの
で、それは焦点レンズ２６ｃに向かい、それを通してカ
メライメージ面２８に向かって導かれる。同時にレンズ
１２の端面１７ｂによって反射されなかった光の一部
は、レンズ１２を通して伝搬し、その一部は端面１７ｂ
に向かって後方に反射される。もしレンズ１２が完全ク
オーターピッチレンズである場合、端面１７ａから後方
に反射する光の焦点２９ｂは、レンズ１２の端面１７ｂ
にくるであろう。そうでなく、もしレンズが（レンズの
ピッチが）クオーターピッチよりも大きいか、または小
さければ、焦点はそれぞれレンズ１２の内側または外側
に来るであろう。

【００１９】焦点２９ａからの光がイメージ面２８に向
かって後方に向かって反射される時、焦点２９ｂからの
光は同様にイメージ面２８に向かって後方に向かって反
射される。イメージ面上の焦点２９ａと２９ｂのイメー
ジの位置を決定するために、レンズ１２とイメージ面を
相対的に移動することにより、レンズの焦点距離はレン
ズとイメージ面間の相対移動から計算できる。例えばも
しイメージ面が静止し、それぞれ第一位置と第二位置に
対応して第一焦点位置と第二焦点位置を見出しながらレ
ンズを第一場所から第二場所に移動することで、レンズ
のピッチが計算できる。同様にもしレンズが静止の時、
レンズの焦点距離を決定するためにイメージ面が適当に
移動される。

【００２０】本発明の操作において重要なステップは、
焦点２９ａと２９ｂからの光がイメージ面２８上にいつ
焦点を結ぶかを決定することである。これを達成する便
利な方法は、ビデオカメラまたはＣＣＤカメラ等の他の
作像デバイスをイメージ面２８に置く（例えば、イメー
ジ面２８に沿って置く）ことである。

【００２１】最良の焦点は最小スポットサイズを探す
か、または作像スポットの中心での最大ピーク光強度を
探すことによって決定できる。好ましい実施形態例で
は、イメージ獲得能力とイメージ処理ソフトウェアを備
えたコンピュータ（プロセッサー）が作像レンズ２６ｂ
に対するグレーディッドインデックスレンズの移動を制
御し、それぞれスポット２９ａおよび２９ｂのイメージ
面（作像平面）での最良の焦点に対応するレンズ位置を
決定する（自動的に決定する）。これらの二つのレンズ
位置間の差がレンズの前方焦点距離ＦＳに相当する。

【００２２】本実施形態例はスポット２９ａおよび２９
ｂがレンズ１２の光軸から若干オフセットしていると記
述しているが、代替的には面１７ｂに投射した光が直接
光軸上にあることができ、面１７ａから反射した光が同
様に光軸に沿って同じ経路を辿るであろう。この配列の
ただ一つの重要な効果は、もしレンズが完全クオーター
ピッチレンズであるならば、レンズ１２の前面および裏
面を作像するイメージ面上の二つのスポットは一致する
であろうということである。この例において、レンズ内
に向けて面１７ａに視準光源を提供することは、レンズ
が実際にクオーターピッチレンズであるという検証手段
を提供するであろう。もし二つの一致するスポットの強
度が変化すれば、このことが一致したことを表示するで
あろう。

【００２３】示された実施形態例において、ＰＢＳ２２
およびクオーター波長板２４は光の効果的な利用のた
め、および望ましくない反射を最小化するために設けら
れている。しかしながらこの実施形態例よりは多少低位
の実施形態例では、非偏光のスプリッターと非偏光の光
が用いられよう。レンズ１２に関係しない一部の光はイ
メージ面に向かうであろうが、イメージ面上でのレンズ
面の二つのスポットのイメージを識別（区別）する注意
が払われるであろう。

【００２４】本発明に従ってこれまで記述してきたシス
テム（光学システム）は、レンズの後表面と前表面から
の二つのスポット間の焦点方向に沿った焦点距離の差を
測定する。これはテスト中のグレーディッドインデック
スレンズの焦点距離（ＦＳ）である。ＦＳは、次式でＡ
の平方根（√Ａ：ルートＡ）および距離ピッチに関係す
る。なお、√Ａはグレーディッドインデックスレンズの
勾配（勾配に関する特性）を意味する。これらＦＳ、ピ
ッチ、√Ａ等の測定値の決定はプロセッサーのプログラ
ムソフトの信号処理により自動的に決定することができ
る。

【００２５】ＦＳ＝ｃｏｓ（√Ａ）／ＮＯ（√（Ａ）ｓｉｎ（Ｚ√Ａ））・・・（１）

【００２６】ピッチ＝Ｚ√（Ａ）／２π・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）

【００２７】ここで、ＮＯはレンズの軸上屈折率であ
り、Ｚはレンズの軸上距離である。ピッチＡの平方根
（レンズの勾配）は、ＺとＦＳを測定した後に決定され
る。

【００２８】勿論本発明の他の多くの実施形態例が、本
発明の意図と範囲を逸脱せずに考えられる。例えば、上
記実施形態例では、視準レンズ２６ａに入射する１個の
光源の光でレンズ（グレーディッドインデックスレン
ズ）１２の面１７ｂと１７ａを照射（投射）するように
したが、レンズ１２の面１７ａ側にも該面１７ａを照射
する別の光源を設けてもよい。

【００２９】また、レンズ１２の面１７ａから反射した
一部の光をカメライメージ面２８に導いたが、レンズ１
２の面１７ａ側に後方反射鏡（第二反射を提供する鏡）
を配置し、この反射鏡で反射させた第二反射光をカメラ
イメージ面２８に導くようにしてもよい。なお、この場
合、レンズ１２の面１７ｂで反射する光は第一反射光で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】テスト（測定）中のレンズの特性を測定する本
発明による光学システムの回路のブロック図である。

【図２】ピッチが異なるレンズに投射された視準ビーム
の焦点位置の違いを示す図であり、（ａ）はクオーター
ピッチレンズの端部に投射した視準ビームの軌跡を示す
図であり、（ｂ）は０．２１ピッチレンズの端部に投射
した視準ビームの軌跡を示す図である。

【図３】光の投射位置に応じた各種ビーム軌跡の違いを
比較状態で示す図であり、そのうち（ａ）はレンズの光
軸と同軸である光ファイバからクオーターピッチ視準グ
レーディッドインデックスロッドレンズの端部に投射し
た光ビームの軌跡を示す図であり、（ｂ）はレンズの光
軸からオフセットされている光ファイバからクオーター
ピッチ視準グレーディッドインデックスロッドレンズの
端部に投射した光ビームの軌跡を示す図であり、（ｃ）
は、光ファイバから０．２３ピッチレンズの端部に投射
したビームの軌跡を示す図であり、（ｄ）は光軸からオ
フセットした二本の光ファイバを示すクオーターピッチ
レンズの光ビーム動作の図である。

【符号の説明】

１２グレーディッドインデックスロッドレンズ８（８ａ，８ｂ）光ファイバ２２偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）２４クオーター波長板（非可逆回転体）２８カメライメージ面

フロントページの続き (71)出願人 500003660 570 ＷｅｓｔＨｕｎｔＣｌｕｂＲｏａｄ，Ｎｅｐｅａｎ，Ｏｎｔａｒｉｏ，ＣａｎａｄａＫ２Ｇ５Ｗ８ (72)発明者ジャンジムヤンカナダオンタリオ州Ｋ１Ｓ２Ｒ２オッタワアパートメント 1007 ホールムウッドアベニュー 315 (72)発明者ジョフランドルカナダオンタリオ州Ｎ２Ｌ５Ｈ７ワーテルローアカデミークレセント 40

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】遠方光の受光／検出領域内でグレーディ
ッドインデックスレンズの二つの端面からの光を受ける
ステップと、二つの端面の一方から受けた光からの第一
焦点を位置決めするステップと、レンズの二つの端面の
他方からの第二焦点を位置決めするステップと、二つの
焦点の位置からグレーディッドインデックスレンズの特
性を決定するステップと、を有することを特徴とするグ
レーディッドインデックスレンズ特性の測定方法。
【請求項２】特性はグレーディッドインデックスレン
ズの焦点距離に関係するものであることを特徴とする請
求項１に記載のグレーディッドインデックスレンズ特性
の測定方法。
【請求項３】特性はグレーディッドインデックスレン
ズの勾配に関係するものであることを特徴とする請求項
１に記載のグレーディッドインデックスレンズ特性の測
定方法。
【請求項４】更に、同一光源でグレーディッドインデ
ックスレンズの両面を照射するステップを有することを
特徴とする請求項１に記載のグレーディッドインデック
スレンズ特性の測定方法。
【請求項５】更に、異なる光源でグレーディッドイン
デックスレンズの各面を照射するステップを有すること
を特徴とする請求項１に記載のグレーディッドインデッ
クスレンズ特性の測定方法。
【請求項６】光は第一イメージ面に導かれることを特
徴とする請求項４に記載のグレーディッドインデックス
レンズ特性の測定方法。
【請求項７】第一焦点を位置決めし、第二焦点を位置
決めするステップはレンズと第一イメージ面間の距離を
相対的に変えるステップを含むことを特徴とする請求項
６に記載のグレーディッドインデックスレンズ特性の測
定方法。
【請求項８】第一焦点を位置決めし、第二焦点を位置
決めするステップはレンズと検出領域間の距離を相対的
に変えるステップを含むことを特徴とする請求項１に記
載のグレーディッドインデックスレンズ特性の測定方
法。
【請求項９】距離を相対的に変えるステップはレンズ
と第一イメージ面間の光学経路長を変えるためにレンズ
の位置を変えるステップを含むことを特徴とする請求項
７に記載のグレーディッドインデックスレンズ特性の測
定方法。
【請求項１０】距離を相対的に変えるステップはレン
ズと第一イメージ面間の光学経路長を変えるためにイメ
ージ面の位置を変えるステップを含むことを特徴とする
請求項７に記載のグレーディッドインデックスレンズ特
性の測定方法。
【請求項１１】光源はレンズに対して実質的に偏光さ
れた光を与えることを特徴とする請求項１又は請求項６
に記載のグレーディッドインデックスレンズ特性の測定
方法。
【請求項１２】光源はレンズに対して少なくとも既知
の光波長を与えることを特徴とする請求項１１に記載の
グレーディッドインデックスレンズ特性の測定方法。
【請求項１３】光をレンズに与えるに先立ち実質的に
偏光された光をビームスプリッターを通して通過させる
ステップを有することを特徴とする請求項１１に記載の
グレーディッドインデックスレンズ特性の測定方法。
【請求項１４】ビームスプリッターは第一偏光を持つ
光を通過し、直交偏光の光を反射する偏光ビームスプリ
ッターであることを特徴とする請求項１３に記載のグレ
ーディッドインデックスレンズ特性の測定方法。
【請求項１５】更に、それを通して通過する光の偏光
を回転するために偏光された光を波長板を通して通過さ
せるステップを有することを特徴とする請求項１４に記
載のグレーディッドインデックスレンズ特性の測定方
法。
【請求項１６】レンズのテストの間レンズを一時的に
保持する手段と、レンズを照射する光源と、レンズから
受けた光をイメージ面に導くビームスプリッターと、レ
ンズとイメージ面間の距離を変化させるためにレンズと
イメージ面を相対的に移動する手段と、変化した距離を
決定する手段と、を有することを特徴とする焦点距離又
は勾配に関するレンズ特性を測定する光学システム。
【請求項１７】更に、測定特性を自動的に決定する手
段を有することを特徴とする請求項１６に記載のレンズ
特性を測定する光学システム。
【請求項１８】測定特性を自動的に決定する手段は適
切にプログラムされたプロセッサーを含むことを特徴と
する請求項１７に記載のレンズ特性を測定する光学シス
テム。
【請求項１９】光源は偏光された光を提供するもので
あり、ビームスプリッターは偏光ビームスプリッターで
あることを特徴とする請求項１６に記載のレンズ特性を
測定する光学システム。
【請求項２０】更に、それを通過する光の偏光を変え
る非可逆回転体を有し、この非可逆回転体は偏光ビーム
スプリッターとレンズ間に配置されることを特徴とする
請求項１９に記載のレンズ特性を測定する光学システ
ム。
【請求項２１】ＣＣＤまたはビデオカメラがイメージ
面に沿って配置されることを特徴とする請求項２０に記
載のレンズ特性を測定する光学システム。
【請求項２２】第二反射を提供するために鏡がレンズ
の後方に置かれることを特徴とする請求項１６に記載の
レンズ特性を測定する光学システム。
【請求項２３】遠方光の受光／検出領域内でグレーデ
ィッドインデックスレンズの二つの端面からの光を受け
るステップと、二つの端面の一方から受けた光からの第
一焦点を位置決めするステップと、レンズの二つの端面
の他方からの第二焦点を位置決めするステップと、二つ
の焦点を位置決めするためにトラバースした距離からグ
レーディッドインデックスレンズの特性を決定するステ
ップと、を有することを特徴とするグレーディッドイン
デックスレンズ特性の測定方法。